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基于超声波的测距系统设计毕业设计.doc
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基于超声波的测距系统设计毕业设计.doc
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目 录
1 前言 ....................................................................1
1.1 课题设计目的及意义 .................................................1
1.1.1 设计的目的....................................................1
1.1.2 设计的意义....................................................1
1.2 超声波测距技术的国内外现状 .........................................1
1.2.1 发展历史......................................................1
1.2.2 研究现状......................................................2
1.3 本课题研究的主要内容 ...............................................2
2 总体方案设计 ............................................................4
2.1 方案比较 ...........................................................4
2.1.1 方案一 雷达测距系统..........................................4
2.1.2 方案二 激光测距系统的设计....................................4
2.1.3 方案三 基于单片机的超声测距系统设计..........................5
2.2 方案论证 ...........................................................7
2.3 方案选择 ...........................................................7
3 单元模块设计 ............................................................8
3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 .......................................8
3.1.1 单片机主机控制电路 ...........................................8
3.1.2 复位电路 .....................................................9
3.1.3 时钟电路 ....................................................10
3.1.4 按键电路 ....................................................10
3.1.5 蜂鸣器电路 ..................................................11
3.1.6 液晶显示电路 ................................................11
3.1.7 温度采集 DS18B20 电路 ........................................13
3.1.8 超声波发射电路设计 ..........................................14
3.1.9 超声波接收电路设计 ..........................................14
3.1.10 HR-SR04 超声波集成模块......................................15
3.1.11 电源电路....................................................16
3.2 特殊器件的介绍....................................................17
3.2.1 超声波传感器 ................................................17
3.2.2 1602 字符型液晶显示器........................................19
3.2.3 温度传感器 DS18B20...........................................23
3.2.4 CX20106A 芯片................................................24
4 软件设计 ...............................................................26
4.1 说明软件设计原理及设计所用工具 ....................................26
4.2 软件设计结构图 ....................................................27
4.3 主要软件设计流程框图 ..............................................28
4.3.1 程序流程框图及说明...........................................28
4.3.2 系统主程序 ..................................................29
4.3.3 40KHz 超声波发送程序 .......................................30
4.3.4 超声波的接受和处理程序 ....................................30
4.3.5 DS18B20 温度采集程序 .......................................30
4.3.6 距离计算程序 ...............................................31
4.3.7 数据转换程序 ...............................................32
4.3.8 LCD 显示程序 ...............................................32
5 系统调试 ...............................................................33
5.1 软件调试 ..........................................................33
5.2 硬件调试 ..........................................................35
6 结论 ...................................................................38
7 总结与体会 .............................................................39
8 谢辞 ...................................................................40
9 参考文献 ...............................................................41
附录:...................................................................42
附录 1:原理图 ........................................................42
附录 2: ..............................................................43
第 0 页
1 前言
1.1 课题设计目的及意义
1.1.1 设计的目的
1.1.2 设计的意义
1.2 超声波测距技术的国内外现状
1.2.1 发展历史
随着科学技术越来越快的发展,超声波在测距系统中的应用将会越来越广泛。但是
对于目前的发展速度来说,人们可以利用的测距技术还十分有限。因此,这是一个正在
迅速发展而又有无限前景的技术及产业领域。面向未来,超声波测距系统作为一种新型
的测量工具在各领域都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展,
满足日益发展的社会需求。
不用怀疑,无线的超声波测距系统将向自动化智能化靠拢,与其他的测距系统集成
和融合,形成多类型测距仪。随着测距系统的技术进步,测距系统将从具有单一的判断
功能发展到具有学习功能,最终发展到具有创造力。在不久的将来,面貌一新的测距系
统将对人类更加有益的方向发展。
随着科学技术的发展,人们生活水平的提高,城市发展建设加快,城市给排水系统
也有较大发展,其状况不断改善。但是,由于历史原因、自然灾害等许多不可预见因素,
城市给排水系统,特别是排水系统往往要比城市建设要落后许多。因此,经常出现开挖
已经建设好的建筑设施来改造排水系统的事件。城市污水给人们的生活环境带来了困扰。
因此,涵洞的排污疏通对城市给排水系统的污水处理,人们生活的舒适程度显得非常重
要。而设计研制涵洞排水疏通移动机器人的自动控制系统,保证机器人在涵洞中自由排
污疏通,是涵洞排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波
测距系统的研制。因此,设计的超声波测距系统就显得非常重要了。这就是我设计超声
波测距系统的意义。
超声波测距技术作为检测技术的重要手段之一,在其发展过程中起着重要的作用。
由于超声波信号具有高频特性,此技术早期仅仅使用模拟量信号的分析,大部分检测设
备仅有 A 扫描形式,需要对信号进行人工分析才能得出正确的结论,对分析人员的专业
要求较高。因此,人为因素对测量的结果影响较大,并且波形也不容易被记录和保存,
不适宜完成自动化检测。
八十年代后期,随着计算机技术和高速器件的不断发展,使超声波信号的数字化采
集和分析能够得以实现。目前国内也陆陆续续出现了各类数字化超声波测距设备,并已
第 1 页
1.2.2 研究现状
1.3 本课题研究的主要内容
超声波指的是频率高于 20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段,必须产生超
生波和接收超声波。完成这种功能的器件就是超声波传感器,也就是习惯上叫的超声波
成为超声波检测的发展方向。
目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展,数字式超声波测距系统的发
展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。随着测距技
术研究的不断深入,对超声测距系统功能要求越来越高,单数码显示的超声测距系统会
带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声测距系统能够具有双显及内带有单板
机的微处理功能。随后具有检测,记录,存储,数据处理与分析等多项功能的智能化检
测分析仪相继研制成功。超声测距系统研制呈现一派繁荣景象。其中,煤炭科学研究院
研制 2000A 型超声分析检测仪,是一种内带微处理器的智能化测量仪器,全部操作都处
于微处理器的控制管理之下,所有测量值,处理结果,状态信息都在显像管上显示出来,
并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定,操作简单,可靠性高,具有断
电存储功能,其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与
国内同类产品相比,设计新颖合理,功能齐全,在仪器设计上有重大突破和创新,达到
了国际先进水平。
随着电子技术的发展相继出现了微波雷达测距、激光测距以及超声波测距。前 2 种
方法由于技术难度和成本的限制,一般常用于军事工业,而超声波测距所需要的技术难
度相对较低且成本低廉,可以适合于民用工业。这项技术也频繁被用于工业测量领域。
基于超声波的指向性强、能量消耗较少、传播距离较远,所以超声波常常用于距离
的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测优点就是
比较迅速、计算简单、易于做到实时控制,并且测量精度也更容易达到工业实用的要求。
近年来此技术广泛应用于移动机器人的研制。
随着自动测量和微机技术的发展,超声波测距的理论已经日渐成熟,超声波测距技
术也更加广泛的被运用到各行各业。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法
相比,如电磁的或光学的方法,它不受光芒、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑
暗、烟雾、有毒、有灰尘等恶劣的环境下完全不需要人工测量,保障了人身安全。
因此在机械手控制、液位测量、物体识别、车辆自动导航等方面有广泛应用。特别
是运用在空气测距当中,由于空气中超声波波速较慢,其回波信号中包含的沿传播方向
上的结构信息就很轻易的被检测出来,具有很高的分辨力,因而其正确率也比其它方法
要高;而且超声波传感器具有体积小、结构简单、信号处理可靠等特点。因此本设计也
是利用超声波来测量距离。
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换能器或超声波探头。超声波传感器分为发送器和接收器两种用途,一个超声波传感器
就可以充当发送和接受的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声
波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换为超声波信号并发射;而在收到回波
的时候,则将超声信号转换成电信号。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法(time of flight)。首先测出超声波从发射
到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间
的距离。
本次设计我利用了 51 单片机系统的 I/O 口,发出 40MHZ 的超声波,反射回来的超声
波信号,经过放大和整形电路进入到单片机中,比较调试后计算其对应的距离,完成测
距。可实现的测距范围在 0.1-4m 内,盲区 7cm 的有效测距,测量精度是 1cm,测量时与
被测物体没有直接的接触,能够在液晶显示器上稳定的显示测量结果。该测距系统测量
精度高,使用方便。可用于建筑工地以及一些工业现场的位置监控、汽车倒车雷达,也
可用于如液位、井深、管道长度的测量等。
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omyligaga
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